基于物联网的便携式免疫层析仪分析数据实时传输体系构建及应用*

易 宁，熊勇华

(1.南昌大学 分析测试中心，江西 南昌330047；2.南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌330047)

目前，我国食品中真菌毒素、农药兽药残留超标、滥用食品添加剂和非法添加违禁物质以及食品中反式脂肪酸等问题十分突出，食品安全事故也频繁发生，如曾经出现的河南“瘦肉精”事件、上海“染色馒头”事件、湖北“毒生姜”事件等，给消费者健康造成巨大威胁[1-3]。出现这些事件的原因是多方面的，其中缺乏有效的食品安全预警技术体系也是一个重要因素。西方发达国家普遍为食品市场监控建立了安全预警系统、可追溯系统[4-6]等，采用了先进的手段和方法实现了从食品生产、加工和流通即“从农田到餐桌”的全过程控制，从而有效地保证了食品品质的安全。近年来，我国的食品安全预警系统的建设也初见成效，国家及各省市也纷纷建立起相应的数据库系统以保障食品安全预警系统的正常运转，但是仍然存在许多问题[7-8]。

(1)食品安全的检测标准不完善，现有的定性检测及抽检手段相对落后，缺少食品安全方面比较规范全面的法规及标准，检验结果缺乏准确性、可靠性、可比性、溯源性、权威性，特别是检测结果国际认可度低，不能为保障贸易安全提供有效支撑。

(2)现有的监测预警水平低，构建的预警体系所采用的网络信息技术相对滞后，覆盖面较狭窄，信息交流不充分。

(3)预警防范机制缺乏系统性，从农田到餐桌，农业、卫生、质检、工商、药监等多个部门实行分头监管，缺少统一机构进行协调，监测、信息收集发布决策、执行、评估工作缺少统一的流程及平台载体，而系统性的缺失也容易导致信息失真和效率降低。

(4)信息交流体系的建立不完善，缺少对食品安全信息的获取、鉴别手段，难以保证及时搜取到客观的信息，而且信息网络平台局限于一定范围内，对其他地区突发事件产生原因的获取存在滞后性[9]。因此研究开发以新的信息技术如物联网技术等高新技术为基础的食品安全预警技术体系，实现食品从“农田到餐桌”的有效管理与监控，是我国经济和社会发展的必然需求。

1 便携式胶体金免疫层析定量检测系统原理

胶体金免疫层析定量检测系统由便携式读取仪以及胶体金免疫层析试纸条组成。试纸条显色完成后，送入读取仪中，在步进马达的传输下，试纸条T(Test line)、C(Control line)线沉积的胶体金反射信号值的大小与溶液中待测物浓度的对数成一定的比例关系[10-11]。通过T/C比值方式可有效地消除试纸条加工过程中以及检测环境造成的T线显色差异，实现了读取仪内置标准曲线定量分析的原理，系统原理如图1所示。

图1 便携式读取仪的光学设计原理

胶体金读取仪由试纸条传送系统、光源系统、光学组件系统、控制系统、数据处理系统以及数据实时传输系统等组成。通常胶体金对绿色光源具有较强的吸收(免疫层析试纸条胶体金颗粒最大吸收光谱通常介于520nm～530nm)，因此光源系统由特制的小功率高亮度的绿色LED组成，通过一组透镜作用将绿色光聚焦至试纸条上，试纸条上胶体金所产生的反射光通过另一组透镜组聚光后被光电转换接收器所采集，通过测量试纸条检测带与质控带对绿色波长的吸收光密度判断被检物的浓度。仪器的计算机系统通过对LED的控制、精密机械运动的控制、极弱光信号检测和数据统计分析等，并通过软件分析实现了背景光补偿、检测时间的控制，大大提高了弱信号试纸条测量的重复性，减少了人工干预，提升了仪器的智能化程度。

2 基于物联网的免疫层析读取仪分析数据实时传输体系构建

胶体金免疫层析试纸条读取仪由LED发光电路模块、信号转换模块、扫描检测模块及显示模块组成，工作原理如图2所示。

图2 胶体金免疫层析试纸条读取仪工作原理的技术流程图

读取仪的物联网数据传输体系包括硬件和软件两部分，硬件部分包括微控制器及GPRS/GSM模块。其中，微控制器选用的是意法半导体公司生产的基于ARM Cortex-M3内核的32位单片机STM32F101RBT6。GPRS/GSM模块采用的是中兴通讯公司生产的MG2639模块，其可同时连接6路IP或UDP链路，并且单次接收最高4.5k的用户数据并发送，以及接收最高1.3k的服务器数据。同时物联网数据传输单元与手持设备的通信方式是通过232串口与本地手持检测设备进行通信；后台数据中心通过GPRS网络与物联网数据传输单元进行连接，从而实现数据中心与手持检测设备的通信，硬件设计部分框图如图3所示。

图3 便携式读取仪的数据实时传输原理图

软件部分由系统初始化、通信连接、数据上传等模块组成，程序流程如图4所示。数据中心将菜单数据通过物联网数据传输单元传输给手持检测设备，手持检测设备通过液晶屏将菜单数据显示出来。检测设备获取检测数据后将其发回物联网数据传输单元，物联网数据传输单元即刻将检测数据发往数据中心。

图4 便携式读取仪的数据实时传输技术路线图

3 样品分析及数据传输

本文以试纸条测定猪肉样品中盐酸克伦特罗为例，验证所构建的数据传输系统的可行性。称取一定量的猪肉样品，采用所制备的磺酸化聚苯乙烯纳米磁珠对样品进行前处理，结合免疫层析试纸条，用读取仪进行检测，并将所测数据实时传输到数据中心。结果显示，该检测方法对猪肉样本检测结果与HPLC/MS/MS法检测结果接近(见表1)，同时，所检测的数据系统能自动传输至数据中心。

表1 猪肉检测卡与HPLC-MS/MS对比实验结果

4 结论

本文以便携式免疫层析读取仪为载体，结合物联网技术，研究构建了分析数据实时传输体系，并以试纸条测试猪肉中盐酸克伦特罗为例，验证了系统的可行性。结果表明，所构建的数据实时传输系统，能同步将测量数据上传至数据中心；便携式免疫层析读取仪具有较好的机械传送性能，具体表现为单个样品检测时间小于10s；具有良好的光学稳定性，其单个样品连续检测100次，变异系数小于4%；拥有较强的弱光学信号稳定采集能力，可实现胶体金试纸条高灵敏定量检测；实现了监测数据的在线实时传输，可及时有效地对食品品质进行监控和监管。